Проектирование с учетом устойчивости развития с использованием печатной электроники
Правительства по всему миру прямо или косвенно занимаются вопросом устойчивости, хотя и в разной степени и интенсивности, особенно в свете недавней инфляции и международных пошлин на цепочки поставок. Они призывают производителей сокращать отходы, потребление энергии, химикаты и общее воздействие на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла продуктов.
Жизненный цикл электронных продуктов представляет собой отрасль, которой приходится иметь дело с токсичными материалами, такими как свинец, ртуть и кадмий. Опасные материалы, которые являются огнестойкими, и редкоземельные минералы, такие как литий, кобальт и золото. В результате получается более 53 миллионов тонн электронных отходов каждый год, из которых, по оценкам, только 17% подлежат официальной переработке.
Электронная промышленность традиционно сосредоточена на технологии вычитания при производстве печатных плат, однако, используя технологию добавочного производства, есть потенциал значительно сократить отходы, энергопотребление, исключить опасные материалы и улучшить возможности переработки. С ужесточением экологических нормативов и спросом на более экологичные альтернативы, сейчас может быть подходящее время для изучения того, как печатная электроника может согласовать цели дизайна и устойчивости. Altium стратегически и активно поддерживает это развитие, взаимодействуя с своей пользовательской базой для улучшения и разработки функций, поддерживающих электронный дизайн в интересах устойчивости.
Что такое печатная электроника?
Печатная электроника включает в себя использование техник печати, таких как струйная, трафаретная, гравюрная или флексографская печать, для нанесения материалов на гибкие или жесткие подложки. Эти материалы могут включать в себя проводящие чернила, полупроводниковые слои и диэлектрические изоляторы, которые работают вместе для создания схем, датчиков, антенн и других электронных компонентов.
Эти компоненты обычно печатаются на подложках, таких как ПЭТ (полиэтилентерефталат), бумага или биоразлагаемые полимеры, что позволяет создавать легкие и гибкие продукты с уменьшенным потреблением материалов. Применения варьируются от носимых устройств мониторинга здоровья до гибких солнечных панелей, позволяя создавать новые форм-факторы и области применения. Одно из ключевых преимуществ печатной электроники заключается в ее врожденно уменьшенном воздействии на окружающую среду, что увеличивает возможности для устойчивых инноваций.
Почему добавочное производство более устойчиво по сравнению с вычитаемым?
Чтобы понять это, необходимо рассмотреть фундаментальное различие в технологиях производства, а именно в добавочном и вычитаемом процессах производства.
Субтрактивное производство, которое составляет более 99% традиционного производства печатных плат, начинается с твердого материала, такого как медно-покрытый FR4 (стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы). Желаемый узор схемы создается путем удаления избыточной меди с использованием агрессивных химикатов, таких как хлорид железа или персульфат аммония. Это приводит к образованию большого количества опасных отходов и химикатов, которые требуют очистки воды и безопасной утилизации. Относительная сложность дизайна печатной платы, следовательно, увеличивает количество слоев или процессов травления, что дополнительно увеличивает воздействие на устойчивость электронного аппарата.
Процесс аддитивного производства, используемого для печатной электроники, создает схему путем нанесения материалов только там, где это необходимо. Без травления, без удаления покрытий, без ванн для гальваники, но с точной печатью функциональных чернил непосредственно на подложку, добавляемых только там, где это необходимо. Это значительно снижает экологический след производственного процесса несколькими способами, описанными ниже.
Сокращение отходов
Устранение необходимости в химическом травлении и гальванике, печатная электроника сокращает количество твердых отходов, жидких стоков и выбросов в атмосферу. Традиционное производство печатных плат включает стадии промывки, токсичные металлы и интенсивное использование воды, что способствует как экологическим, так и потенциальным здоровьесберегающим опасностям. Аддитивное производство может привести к отсутствию отходов материала от резки или травления и отсутствию химических ванн.
Энергоэффективность
Процессы печатной электроники работают при более низких температурах и, следовательно, требуют меньше энергии, чем вычитаемое производство печатных плат, которое включает в себя ламинирование при высоких температурах, различные теплые опасные ванны, отверждение, сверление и покрытие. Очевидным результатом является меньший углеродный след на единицу продукции. Это делает печатную электронику привлекательным вариантом для компании, которая может использовать метод добавочного производства для своих продуктов, стандартов отрасли, требований клиентов и государственных нормативов.
Отсутствие Покрытия
Одним из основных негативных экологических факторов производства печатных плат является процесс электролитического осаждения, используемый для нанесения металла на пути цепей или переходные отверстия. Для этого требуются высокопроводящие электролиты, такие как медь, никель или золото, и процесс потребляет большое количество электроэнергии.
Печатная электроника естественным образом полностью облегчает этот процесс. Проводящие дорожки создаются непосредственно с помощью печатных проводящих чернил, таких как серебро или углерод, при комнатной или умеренной температуре. Устранение покрытия упрощает производство, снижает токсичность, повышает безопасность и требует значительно меньше операционного пространства.
Управление Жизненным Циклом Электроники
Утилизация и переработка печатных плат, произведенных с использованием процесса вычитаемой технологии, обычно изготавливаются из FR4, материала, который не подлежит биоразложению и трудно поддается переработке. Разделение металлов и восстановление материалов из печатных плат на основе FR4 требует больших затрат энергии и часто экономически нецелесообразно, что приводит к образованию электронных отходов или сжиганию с значительным потреблением энергии.
Печатная электроника может использовать субстраты, которые легче возвращать в оборот или биоразлагаемые, такие как бумага или компостируемые пластики. Однако необходимо убедиться, что эти материалы имеют соответствующие разрешения в отношении использования и отраслевых стандартов. Поскольку материалы не ламинируются в многослойных конструкциях, разборка и восстановление материалов значительно упрощаются.
Проектирование с учетом возможностей устойчивого развития или циркулярного дизайна
Печатная электроника открывает двери к циркулярному дизайну, потенциально позволяя владельцу продукта выбирать перерабатываемые или биоразлагаемые субстраты, использовать нетоксичные материалы с низким воздействием в качестве чернил и применять дизайн для замкнутого цикла переработки и разборки, который поддерживает управление жизненным циклом электроники от колыбели до колыбели.
Управление жизненным циклом продукта в отношении его окончания срока службы и, следовательно, переработки, представляет собой область особого интереса и потенциального значительного прогресса в устойчивом развитии. Состав печатной электроники позволяет использовать более устойчивые методы переработки с большим количеством перерабатываемых материалов, сниженным потреблением энергии, поскольку требуется меньше видов передовых материалов для разделения, и меньшим выбросом токсичных веществ в воздух.
Фактические случаи, уже меняющие индустрию
Компании, занимающиеся умной упаковкой, встраивают печатные датчики, которые контролируют температуру, влажность или вскрытие, используя полностью перерабатываемые бумажные субстраты, что позволяет создавать интеллектуальную упаковку без увеличения объема электронных отходов.
Носимые медицинские устройства или "электронный паучий шелк" могут быть напечатаны непосредственно на коже человека с использованием совместимых с кожей, гибких датчиков, созданных методом добавочной печати на биоразлагаемых материалах, чтобы предлагать диагностику в реальном времени без увеличения пластикового загрязнения.
Компании, работающие в области солнечной энергетики, исследуют печатные фотоэлектрические элементы на пластиковых или текстильных основах, что позволяет создавать легкие, недорогие и перерабатываемые солнечные панели, подходящие для переносного использования или использования в чрезвычайных ситуациях.
Печатная электроника и проблемы, которые предстоит решить
Преимущества печатной электроники в плане устойчивого развития очевидны, однако проблемы все еще остаются. Проводящие чернила, особенно серебряные, могут быть дорогими, а общее воздействие на окружающую среду зависит от источников материалов. Механическая прочность, миниатюризация и проводимость печатной электроники также постоянно развиваются по сравнению с традиционными вычитаемыми печатными платами.
Прогресс в области материаловедения и экономии за счет масштаба неизбежно приведет к тому, что печатная электроника станет все более распространенной. Новые разработки в области графена, органических полупроводников и перерабатываемых проводящих полимеров еще больше склоняют чашу весов в пользу устойчивых решений.
Изменения в регулировании, осведомленность потребителей и давление инвесторов будут продолжать стимулировать потребность в экологически чистом производстве, и печатная электроника предлагает способ удовлетворить эти требования без ущерба для функциональности или производительности.
Заключение: Проектирование с учетом устойчивого развития
Печатная электроника представляет собой прорывную технологию и, следовательно, сдвиг парадигмы в отношении того, как мы можем инновировать и проектировать электронику, организовывать производство и управлять жизненным циклом электронных устройств. Принимая методику добавочного производства с низким воздействием на окружающую среду, инженеры и владельцы продуктов могут проектировать изделия, делая устойчивое развитие ключевым элементом.
Техническая инновация, такая как печатная электроника, является жизнеспособным решением для поддержки растущих глобальных экологических вызовов и более строгих регулирований. Содействие переработке и сокращение токсичных отходов дополнительно поддержат устойчивость циркулярной экономики.
Узнайте, как Altium Designer поддерживает печатную электронику.
